Проектирование микропроцессорной системы на основе микропроцессора I 4040

Министерство науки и образования  Республики Казахстан

Многопрофильный колледж

Северо-Казахстанского государственного университета

имени академика  М. Козыбаева 
 
 
 

Пояснительная записка

к  курсовому проекту

по дисциплине: «Цифровые устройства и микропроцессорные системы»

на тему: «Проектирование микропроцессорной системы на основе микропроцессора I 4040 »

Вариант № 02 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. ________

         ______________

  Проверил: преподаватель

______________ 
 
 

_________________                                       ______.______          _________

оценка                                                                       дата                подпись 
 

_________ 2010

     Содержание 

      Аннотация

    1. Введение……………………………………………………………….…..5

    2. Общая структура МПС …...………………………………………….......6

    3.Система команд…….. …………...……………………………...………...8

    4. Устройства памяти……………………………………………...………...9

    5. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)……………………….11

    6.Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)………………………...13

    7. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)..............................…....15

    8.Разработка функциональной схемы модуля ввода/вывода…………....17

    9. Заключение……………………………………………………………….20

    Список  литературы…………………………………………………………21

    Приложение А 
 

 

Аннотация.

      Первой  продукцией фирмы были микросхемы оперативной памяти. При выполнении заказа японской фирмы Busicom у сотрудника Теда Хоффа возникла идея создания универсальной интегральной микросхемы, успешную разработку которой возглавил Федерико Феджин. Результатом стало появление первого микропроцессора: Intel 4040. Итак, в 1971 году был создан процессор i4040 - четырехразрядный микропроцессор, основа программируемых калькуляторов.

Микропроцессор  – это программно управляемая  сверхбольшая интегральная схема (СБИС), предназначенная для обработки цифровой информации. Обладая размерами 4х4х0,2мм, кристалл МП (ЧИП) содержит десятки тысяч транзисторов и выполняет функции, свойственные важнейшему  узлу ЭВМ – процессору. Наибольший эффект от внедрения МП достигается в устройствах и системах локальной автоматики, системах измерения, контроля и других областях, в которых применение средств цифровой обработки данных до появления МП было нерентабельным.

      Создателем  первого микропроцессора является американский инженер Т. Хофф, которого осенила счастливая мысль переподчинить функции, выполняемые несколькими специализированными микросхемами в проектируемой калькуляторе универсальному процессору. Использование программного обеспечения вместо традиционной электронной логики сулило значительную экономию общего количества транзисторов и выводило на путь создания универсального устройства центрального процессора. Идея оказалась удачной, и в 1971г. фирма «Интел» выпустила на рынок первую партию интегрального микропроцессора 4040. С позиций сегодняшнего дня конструкция МП 4040 представляется очень простой и не лишённой ряда недостатков: четырехразрядный параллельный сумматор, ограниченное количество команд, небольшая (60 000 операций в секунду) скорость выполнения простейших пересылочных операций. Но его значение для будущего техники огромно. Фактически с появлением первого микропроцессора начинается новая эра в создании различных систем управления и контроля физических параметров. Диапазон использования микропроцессоров  в современной технике безграничен: от бытовых кофемолок и плит приготовления пищи до сложных космических систем.

      За 20 лет своего развития основные параметры  микропроцессоров значительно изменились. Усилия разработчиков МП были сосредоточены  на повышении быстродействия, разрядности АЛУ и совершенствовании архитектуры микропроцессоров. Современные 32 – разрядные микропроцессоры уже выполняют до 5 млн. операций в секунду, подготавливается производство микропроцессоров производительностью до 20 млн. операций в секунду. Области применения микропроцессоров не меют границ. Товары народного потребления – потенциально наиболее массовая сфера их применения.

      Важным  направлением развития применения развития

микропроцессоров  является их встраивание в средства оргтехники.

 Это  в значительной степени способствует отмиранию бумажного делопроизводства. Микропроцессор VAX 9000 имеет время цикла 16 нс, а минимальный объём оперативной памяти – 256 Мбайт с возможностью расширения до 2 Гбайт.

      Не  смотря на очевидные достоинства  МП, практические результаты по их внедрению в технические разработки остаются до сих пор весьма скромными. Основная причина невостребованности МП разработчиками объясняется в основном значительным разрывом фактических знаний в этой области тех, кто МП разрабатывает, и тех, кто должен быть их потребителем. Преодолеть этот сложившийся барьер, очевидно, сможет только новое поколение инженеров, сидящих ныне на студенческой скамье.              
 
 
 
 

1. Введение

 

    В процессе изучения курса цифровые устройства и микропроцессоры приобретаются знания по разработке и анализу схем, построенных на цифровых микросхемах средней и большой степени интеграции. Эта дисциплина ориентирована на применение цифровых микросхем в устройствах связи..

    Компактная  микроэлектронная “память” широко применяется  в современной электронной аппаратуре самого различного назначения. В ПК  память определяют как функциональную часть, предназначенную для записи, хранения и выдачи команд и обрабатываемых данных. Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называют запоминающим устройством (ЗУ). Для обеспечения работы процессора (микропроцессора) необходимы программа, т. е. последовательность команд, и данные, над которыми процессор производит предписываемые командами операции. Команды и данные поступают в основную память ЭВМ через устройство ввода, на выходе которого они получают цифровую форму представления, т. е. форму кодовых комбинаций О и 1. Основная память, как правило, состоит из ЗУ двух видов оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ).Оперативное ЗУ предназначено для хранения переменной информации, оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными. Это значит, что процессор может выбрать (режим считывания) из ОЗУ код команды и данные и после обработки поместить в ОЗУ (режим записи) полученный результат.

    Данной  курсовая работа посвящена изучению блока памяти. А именно, задача состоит  в построении пространства памяти заданного  объема и конфигурации.

 

     2. Общая структура МПС

      

    Микропроцессор (МП) – центральная часть любой  микропроцессорной системы (МПС) –  включает в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ) и центральное управляющее устройство (ЦУУ), реализующее командный цикл. МП может функционировать только в составе МПС, включающей в себя, кроме МП, память, устройства ввода/вывода, вспомогательные схемы (тактовый генератор, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти (ПДП), шинные формирователи, регистры-защелки и др.

    В любой МПС можно выделить следующие  основные части (подсистемы):

• процессорный модуль;
• память;
• внешние устройства (внешние ЗУ + устройства ввода/вывода);
• подсистему прерываний;
• подсистему прямого доступа в память.

 

      

    Рисунок 1 – Структура МПС с интерфейсом "Общая шина" 

    Связь между процессором и другими устройствами МПС может осуществляться по принципам радиальных связей, общей шины или комбинированным способом. В однопроцессорных МПС, особенно 8- и 16-разрядных, наибольшее распространение получил принцип связи "Общая шина", при котором все устройства подключаются к интерфейсу одинаковым образом (Рисунок 1).

    Все сигналы интерфейса делятся на три  основные группы – данных, адреса и  управления. Многочисленные разновидности интерфейсов "Общая шина" обеспечивают передачу по раздельным или мультиплексированным линиям (шинам).

    Обмен информацией по интерфейсу производится между двумя устройствами, одно из которых является активным, а другое – пассивным. Активное устройство формирует адреса пассивных устройств и управляющие сигналы. Активным устройством выступает, как правило, процессор, а пассивным – всегда память и некоторые ВУ. Однако иногда быстродействующие ВУ могут выступать в качестве задатчика (активного устройства) на интерфейсе, управляя обменом с памятью.

    Концепция "Общей шины" предполагает, что обращения ко всем устройствам МПС производится в едином адресном пространстве, однако, в целях расширения числа адресуемых объектов, в некоторых системах искусственно разделяют адресные пространства памяти и ВУ, а иногда даже и памяти программ и памяти данных.

    

   Определим более четко введенные выше понятия:

   Центральный процессор – поддерживает собственный  командный цикл, выполняет программу, хранящуюся в системной памяти, по сбросу системы управление, как правило, передается центральному процессору (или одному из ЦП, если их несколько в системе).

   Специализированный  процессор – поддерживает собственный  командный цикл, выполняет программу, хранящуюся в системной памяти, но инициализируется только по команде  ЦП, по окончании выполнения программы сообщает ЦП о завершении работы.

   Сопроцессор не поддерживает собственный командный  цикл, выполняет команды, выбираемые для него ЦП из общего потока команд. По сути дела сопроцессор является расширением ЦП. 
 
 

    3.Система команд 

    Микропроцессор  работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип 4040 имел адресный стек (счетчик команд и 3 регистра стека типа LIFO), блок регистров сверхоперативной памяти, 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами.

    

    Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разряднной шиной данных. Память команд достигала 4 Кбайта. В систему команд входило всего 46 инструкций. Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных. Модуль i4040 не имел возможности остановки (команды HALT) и обработки прерываний. Цикл команды процессора состоял из 8 трактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША/ШД, адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.

 

4.Устройства памяти 

    Устройства  памяти микропроцессорной системы (МПС) могут быть внешними (винчестер, дисковод, CD-ROM и т.д.) и внутренними (ОЗУ, ПЗУ).

    В данной курсовой работе рассматривается внутренняя память МПС, которая может быть:

• постоянной (ROM) или ПЗУ,
• оперативной (RAM) или ОЗУ.

    В свою очередь ПЗУ по способу записи/перезаписи информации различаются следующим образом.